雙碳背景下新型能源在郵輪行業(yè)的應(yīng)用及展望

蔣永旭，李 晨，高 蕾

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

2018年，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）制訂了2050年碳減排目標(biāo)，提出了航運業(yè)減碳的短期、中期和長期措施，其中短期措施包括：完善現(xiàn)有的能源效率框架；研發(fā)提高能效的技術(shù)；制定能效指標(biāo)；制訂海運減排國家計劃；優(yōu)化船舶航速；減少港口排放；研發(fā)可替代的低碳或零碳燃油等。2020年全球航運業(yè)的二氧化碳（CO2）排放量約為8.1億t，船隊的CO2排放量相比2008年下降約21%。這是航運業(yè)通過降低船舶航速、引入新型能源推進(jìn)的環(huán)保船舶舉措取得的初步成效。2020年，我國提出了“2030年碳達(dá)峰”和“2060年碳中和”的目標(biāo)。此外，歐盟從2022年開始將海運業(yè)納入其碳排放交易體系。根據(jù)初步協(xié)議，歐盟境內(nèi)所有5 000總噸及以上船舶的排放量將被完全計入排放交易計劃。這些都表明，國際海運業(yè)已對溫室氣體減排達(dá)成共識。

楊喜順［1］對新能源在船上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了新能源在船上的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用方略。馬網(wǎng)扣等［2］對液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）動力郵輪的研發(fā)動向進(jìn)行了研究，介紹了郵輪公司在LNG動力燃料郵輪領(lǐng)域最新的研發(fā)動向。從中長期來看，航運業(yè)脫碳仍面臨燃料選擇方面的困惑，雖然業(yè)界已對多種新型能源進(jìn)行研發(fā)，但船舶燃料低碳發(fā)展路徑尚不明晰。

近年來全球郵輪行業(yè)得到了快速發(fā)展，郵輪行業(yè)對環(huán)境可持續(xù)性的認(rèn)識日益提高，國際郵輪協(xié)會（Cruise Lines International Association，CLIA）正在努力幫助郵輪行業(yè)實現(xiàn)零碳排放。2018年，CLIA承諾推動其成員到2030年將碳排放量減少40%。本文主要討論新型能源在郵輪行業(yè)的最新應(yīng)用情況，為郵輪行業(yè)未來燃料動力的發(fā)展提供參考。

1 新型能源在郵輪行業(yè)的應(yīng)用

近年來，隨著各郵輪公司的科技水平不斷提高，以風(fēng)能、太陽能、氨燃料、LNG、生物質(zhì)燃料和氫燃料為代表的新型能源在溫室氣體減排方面具有的獨特優(yōu)勢和能產(chǎn)生的效益越來越顯著，其在郵輪行業(yè)的應(yīng)用和推廣越來越廣泛。

1.1 風(fēng)能的應(yīng)用

風(fēng)能，即空氣流動產(chǎn)生的動能，是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。風(fēng)能資源的儲量大分布廣，但其能量密度較低（只有水能的1/800），且不穩(wěn)定。在一定的技術(shù)條件下，風(fēng)能可作為一種重要的能源得到開發(fā)利用。風(fēng)能利用是一種綜合性的工程技術(shù)，通過風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能和電能等可利用的能量形式。風(fēng)能利用以風(fēng)帆助航和風(fēng)力發(fā)電2種形式為主，其中風(fēng)帆助航在船上的應(yīng)用形式主要有翼型風(fēng)帆、天帆和轉(zhuǎn)筒帆等3種［3］。

1）海云郵輪（Sea Cloud CRUISES）專注于帆船型郵輪研究80 a，被稱為郵輪界的“愛馬仕”。目前海云郵輪只有Sea Cloud I和Sea Cloud II 2艘郵輪，其中：Sea Cloud I是由一艘風(fēng)帆游艇改建而成的，并于2011年進(jìn)行了重新改建。Sea Cloud II為海云郵輪于2011年建造的。這2艘郵輪都只有3 000總噸，載客量不超過100名。

2）法國龐洛郵輪（PONANT）在法國大西洋船廠（原STX法國船廠）為其“Le Ponant”號郵輪安裝了300多平方米的硬質(zhì)帆。這種采用玻璃纖維、碳和環(huán)氧樹脂板制造的碳-板條框架新型風(fēng)帆，將大大減少與船舶推進(jìn)相關(guān)的能耗，大幅降低對環(huán)境的影響。

3）轉(zhuǎn)筒帆由可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)筒兩端的端板構(gòu)成，依靠瑪格努斯效應(yīng)推動船舶前進(jìn)。維京游輪（Viking Line）旗下的“Viking Grace”號為全球首艘采用旋筒風(fēng)帆的客船，同時是全球首艘LNG動力大型客船。該船由芬蘭圖庫船廠建造，于2013年投入運營，從2018年開始增設(shè)了芬蘭Norsepower公司的旋筒風(fēng)帆，能利用風(fēng)動力推進(jìn)船舶航行，每年可降低燃料成本達(dá)20%，減少高達(dá)900 t的碳排放量，相當(dāng)于年均節(jié)省約300 t LNG。

1.2 太陽能的應(yīng)用

太陽能是指太陽的熱輻射能，其利用形式主要有光-熱和光-電2種［4-5］。太陽能是一種新興的可再生能源，目前在船舶行業(yè)應(yīng)用較多的有小型游艇、雙體船和郵輪。

1）全球首艘全太陽能動力雙體船為PlanetSolar，該船長31 m，寬15 m，高7.5 m，重95 t，配備有536.65 m2光伏太陽能電池板，由德國Knierim Yachtbau公司建造。PlanetSolar的電板框架是由38 000枚太陽能電池交錯排列而成的，另配備有72枚鋰離子電池，用于儲存吸收到的陽光。

2）奧地利游艇制造商Silent Yachts專注于研制太陽能電動雙體游艇，于2022年與Vision F Yachts公司合作推出游艇Silent Vision F82。該游艇加長硬頂飛橋?qū)⑴鋫湟粋€大型太陽能電池陣列和一個大型電池組，為游艇的整體設(shè)施供電。

3）日本非政府組織Peace Boat一直計劃建造全球最環(huán)保的郵輪“Ecoship”。該船達(dá)60 000總噸，擁有750個艙房，可搭載2 000位乘客。該船不僅配備有柴油-LNG雙燃料動力系統(tǒng)，而且配備有750 kW風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板等設(shè)備，包括10個可收起的太陽能帆板、可伸縮的風(fēng)力發(fā)電機和混合動力發(fā)動機。與普通船舶相比，該船可減少20%的能源消耗和50%的電力負(fù)載。

1.3 LNG的應(yīng)用

LNG是對氣田生產(chǎn)的天然氣進(jìn)行凈化處理，經(jīng)超低溫（-162℃）液化形成的，其關(guān)鍵成分是甲烷，無色、無味、無毒、無腐蝕性，體積約為同量氣態(tài)天然氣的1/600，質(zhì)量僅為同體積水的45%左右。LNG作為燃料，相比燃油，其硫排放量幾乎為零，氮氧化物排放量減少85%，顆粒物排放量減少95%～100%，溫室氣體排放量減少20%。LNG被認(rèn)為是脫碳過程中可利用的重要過渡燃料。據(jù)統(tǒng)計，目前采用LNG作為燃料的船舶已超過500艘，在手訂單超過300艘。LNG燃料已得到多家船東的支持，如新加坡油輪船東AET、俄羅斯航運公司Sovcomflot，以及集運公司達(dá)飛輪船和赫伯羅特等。目前已投入運營的LNG燃料（含雙燃料）郵輪共有10艘，相關(guān)信息見表1。

1.4 氨燃料的應(yīng)用

氨為氮氫復(fù)合物，分子組合中的分子量為17.03 g/mol，分子組合中的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.6%。常溫常壓下氨為氣態(tài)，密度為0.701 6 kg/m3。氨和液化石油氣的沸點比其他燃料高（重油和甲醇除外），這使得其能在適當(dāng)?shù)牡蜏丨h(huán)境下運輸。氨燃料與其他燃料相比，存在燃燒性較差、具有毒性和腐蝕性、燃燒會排放很多氮氧化合物等問題。因此，氨作為三大主流船型的推進(jìn)燃料的進(jìn)展較為迅速，但作為郵輪推進(jìn)燃料的進(jìn)展相對緩慢。

1.5 生物燃料的應(yīng)用

生物燃料主要是液態(tài)生物甲醇、生物乙醇、生物柴油，其具有可再生性和良好的燃燒性能，與現(xiàn)有的船舶燃料油相比，可減少99%的硫氧化物排放，減少80%的氮氧化物排放，最多可減少25%的CO2排放。生物燃料在郵輪上的應(yīng)用情況如下：

1）挪威郵輪公司海達(dá)路德（Hurtigruten AS）作為清潔燃料的倡導(dǎo)者，將生物燃料應(yīng)用于使用LNG的儲罐和發(fā)動機，基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)實施改裝之后，該公司旗下的郵輪即可投入運營。2021年，該公司簽署年供應(yīng)量達(dá)15 000 t的生物燃料購買協(xié)議，以滿足旗下郵輪的運營燃料需求。

2）2022年7 月，愛達(dá)郵輪（AIDA Cruises）旗下的“AIDAprima”號郵輪在鹿特丹港順利完成生物燃料的加注（燃料由荷蘭低碳船用燃料供應(yīng)商Good Fuels Marine提供），這也是嘉年華集團(tuán)首次開展生物燃料和船用輕柴油的混合燃料測試。同年9月，嘉年華集團(tuán)旗下的荷美郵輪（Holland America Line）在“Volendam”號郵輪上完成了全生物燃料測試。

1.6 氫燃料的應(yīng)用

氫的燃燒產(chǎn)物是水，對環(huán)境不產(chǎn)生任何污染。氫氣是一種極易燃的氣體，燃點為574 °C，在空氣中體積分?jǐn)?shù)為4%～75%的氫氣都能燃燒。相比傳統(tǒng)的船舶燃料，氫能源具有清潔環(huán)保等多種優(yōu)點，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來越來越多的船廠、能源公司和動力系統(tǒng)供應(yīng)商開始加大對氫氣發(fā)動機和氫燃料電池的研發(fā)，取得了實質(zhì)性進(jìn)展。

1）2021年7 月，世界上第三大郵輪公司MSC郵輪、豪華郵輪船廠芬坎蒂尼（Fincantieri）和意大利能源基礎(chǔ)設(shè)施公司Snam簽署了一份諒解備忘錄，將共同設(shè)計建造世界上第一艘氫動力遠(yuǎn)洋郵輪。

2）豪華郵輪船東Viking Cruises公司公布了一項使用液氫作為燃料的郵輪建造計劃，計劃開發(fā)一艘采用零排放技術(shù)的郵輪。該郵輪全長約230 m，可容納900多名乘客和500名船員。該郵輪采用液態(tài)氫作為船用燃料，并通過燃料電池將其轉(zhuǎn)換為電能，提供船舶推進(jìn)和生活用電。

3）皇家加勒比集團(tuán)旗下的豪華郵輪公司銀海郵輪（Silversea Cruises）將于2023年夏季推出下一代“Evolution”級豪華郵輪，該郵輪將成為世界上首艘大規(guī)模安裝氫燃料電池的豪華郵輪。該系列郵輪的首制船由德國邁爾船廠建造，該船采用混合動力驅(qū)動，可使用LNG和氫燃料電池提供動力。

2 新型能源在郵輪行業(yè)的應(yīng)用前景展望

2020年IMO關(guān)于全球硫排放上限的禁令生效，極大地改變了新型能源在船舶和航運業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀。短期來看，主要的改變是以石油為基礎(chǔ)的燃料將改為更輕質(zhì)的低硫燃料。長期來看，在IMO和船東的支持下，隨著溫室氣體減排目標(biāo)的確立，將促使船東提高船隊效率和船舶能效，大規(guī)模地使用新型能源。

1）新型能源（如風(fēng)能、太陽能）作為輔助動力是助力航運業(yè)碳減排的重要手段。受天氣、風(fēng)向、風(fēng)速和船舶航行狀態(tài)等因素的影響，未來風(fēng)帆動力將作為輔助動力得到大規(guī)模應(yīng)用。太陽能受存儲技術(shù)的影響，目前主要應(yīng)用于小型船舶上，未來要作為主燃料應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶上，還有很長的路要走。

2）LNG是航運業(yè)邁向零碳未來認(rèn)可度最高的過渡燃料。短期來看，LNG雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)將在郵輪上得到更多應(yīng)用，LNG燃料與碳捕集和封存技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步減少溫室氣體排放。

3）生物燃料作為航運替代燃料，其生產(chǎn)技術(shù)相對成熟。雖然生物燃料在郵輪行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)中所占份額很小，但其比例在持續(xù)增長。然而，生物燃料主要原料的可用性、產(chǎn)量、全球貿(mào)易的可行性和燃料本身的成本是決定其能否廣泛應(yīng)用于郵輪行業(yè)的重要因素。

4）采用LNG燃料、甲醇燃料的電池可減少約30%的溫室氣體排放，且不產(chǎn)生氮氧化物、硫氧化物或細(xì)顆粒物等排放物。電池作為一種環(huán)境友好型燃料，已在郵輪行業(yè)逐步推廣，尤其是在歐洲，一些郵輪公司將柴電混合或LNG+電混合動力技術(shù)應(yīng)用到了郵輪行業(yè)中。

5）長遠(yuǎn)來看，氫燃料是航運業(yè)零排放解決方案的重點發(fā)展方向。目前業(yè)界正圍繞氫燃料在內(nèi)河游船和近海郵輪上的應(yīng)用開展試點研究，相關(guān)船用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)裝備和基礎(chǔ)設(shè)施等正在逐步建立、發(fā)展和完善。

3 結(jié) 語

隨著全球氣候變暖的趨勢越來越明顯，海事環(huán)保法規(guī)要求日趨嚴(yán)格，各航運公司都在尋求更加清潔的新型燃料，選擇合適的燃料是實現(xiàn)航運業(yè)脫碳的關(guān)鍵。CLIA與其他海事組織提議設(shè)立一個50億美元的研發(fā)基金，加速對零碳燃料的技術(shù)開發(fā)，以期推動航運業(yè)實現(xiàn)零碳轉(zhuǎn)型。近年來郵輪船東在積極地加大對新技術(shù)、新型燃料的投資，在LNG燃料、生物質(zhì)燃料、電池、氨燃料和氫燃料的研發(fā)方面取得了一些進(jìn)展。雖然在大規(guī)模應(yīng)用這些新型燃料之前還需解決設(shè)計、供應(yīng)和法規(guī)等方面的問題，但機遇與挑戰(zhàn)共存，相信在產(chǎn)業(yè)鏈各方的共同努力下，郵輪行業(yè)脫碳運營這一長遠(yuǎn)目標(biāo)終將實現(xiàn)。